Напряжение: формулы, единицы измерения, природа явления
Электричество воспринимается нами как данность и вряд ли кто задумывается над тем, что такое электрическое напряжение и какова его физическая сущность, когда включает свет, компьютер или стиральную машину. На самом же деле оно заслуживает гораздо большего внимания, и не только потому, что может быть смертельно опасным, но и из-за того, что Человечество, овладев этим видом энергии, совершило качественный цивилизационный скачок.
Природа электрического напряжения
Вспомним один из наиболее интересных моментов на школьном уроке физики, когда преподаватель вращал диск электрической машины, а между металлическими шариками проскакивала искра. Это и есть видимое отражение природного феномена под названием электрический ток. Он возникает из-за того, что на одном шарике отрицательно заряженных ионов больше, а на другом меньше, из-за чего возникает разность потенциалов, то есть факт, нарушающий основной закон Природы – сохранения энергии.
Отрицательно заряженные частицы стремятся переместиться туда, где их меньше, тем самым обнулив разницу. Конечно же, электроны не проходят весь путь между заряженными шариками, называемых полюсами. Их пробег ограничивает кристаллическая решетка, узлов которой они не могут покинуть. Зато способны удариться о соседние частицы и передать импульс по цепочке дальше, создавая эффект домино. Каждое такое соударение порождает выплеск энергии, из-за чего система переходит из состояния покоя в возбужденное, которое и принято называть электрическим напряжением.
Сила, движущая заряженные частицы
Чтобы поставить себе на службу электрическое напряжение и ток, человеку надо было найти силу, которая могла возобновлять разницу потенциалов между полюсами, порождая непрерывное соударение частиц кристаллической решетки. Их оказалось целых три:
- Электромагнитная индукция – возникновение тока в результате взаимозависимого перемещения металлов в магнитном поле. Используется в генераторах постоянного и переменного тока.
- Электрохимическое взаимодействие, порождаемая разностью потенциалов кристаллических решеток веществ. Используется в аккумуляторах, батареях питания постоянного тока.
- Термохимическая реакция, повышающая активность электронов в результате нагрева.
Сила, порождающее движение заряженных частиц, получила наименование «электродвижущая» (аббревиатура ЭДС) и обозначается на схемах буквой «Е», обычно сопутствующей мнемосимволам разъемов, к которым подключается источник питания.
Вольты и амперы
ЭДС и напряжение измеряются в вольтах – условной единице, названной в честь итальянца Алессандро Вольты, официально признанного изобретателя гальванической батареи – источника постоянного тока. Это количество работы, которая совершается при перемещении единицы заряда (кулона), если при этом был потрачен 1 джоуль условной энергии.
Однако существует и вторая единица измерения электрического тока – ампер, названная в честь французского физика Андре-Мари Ампера. Традиционно ее называют силой тока, хотя правильнее применять термин «магнитодвижущая сила», что наиболее полно отражает двуединую физическую сущность заряженной частицы.
Магнитное и электрическое поля электрона стремятся к взаимной компенсации, а их зависимость определяется законом Ома, описываемого формулой I = U / R. Если сопротивление среды резко падает (например, при коротком замыкании), то сила тока растет по экспоненте. Это вызывает ответное падение напряжения, в результате чего система приходит в равновесное состояние. Подобный эффект можно заметить во время работы сварочного трансформатора, когда при возникновении дуги лампы накаливания почти гаснут.
Существует и другой эффект: при большом сопротивлении среды заряд одного знака копится на какой-либо поверхности до тех пор, пока напряжение не достигнет критического уровня, после чего происходит пробой (возникновение тока) в направлении поверхности с наибольшей разницей потенциала. Статическое напряжение чрезвычайно опасно, поскольку в момент разряда оно может порождать токи силой в сотни ампер. Поэтому металлические конструкции, длительное время находящиеся в магнитном поле, обязательно заземляются.
Постоянный или переменный?
Напряжение – это статическая составляющая электричества, а сила тока – динамическая, ведь его направление меняется вместе с полярностью на концах проводника. И это свойство оказалось очень полезным для распространения электричества по Миру. Дело в том, что любой ток затухает из-за внутреннего сопротивления среды, согласно всё тому же закону сохранения энергии. Но оказалось, что двигающийся в одну сторону поток электронов усилить очень сложно, а циклически изменяющий направление – просто, для этого применяется трансформатор с двумя обмотками на одном сердечнике.
Чтобы получить переменный ток, надо вывернуть наизнанку принцип, открытый Фарадеем, который в своем прообразе электрического генератора вращал медный диск в поле действия постоянного магнита. Никола Тесла сделал наоборот – поместил вращающийся электромагнит внутрь неподвижной обмотки, получив неожиданный эффект: в момент прохождения полюсов через нейтраль магнитного поля амплитуда напряжения падает до нуля, а потом снова растет, но уже с другим знаком. За один оборот направление движения электронов в проводнике меняется два раза, составляя рабочую фазу. Поэтому переменный ток называют еще и фазным. А порождающее его напряжение – синусоидальным.
Никола Тесла создал генератор с двумя обмотками, расположенными под углом в 90 0 друг к другу, а русский инженер М.О. Доливо-Добровольский усовершенствовал его, расположив на статоре три, что увеличило стабильность работы электрической машины. В результате этого промышленный переменный ток стал трехфазным.
Почему 220 вольт 50 Гц?
В нашей стране бытовая однофазная сеть имеет номиналы 220 вольт и 50 герц. Причина появления именно этих цифр весьма интересна.
Пальма первенства в бытовом освоении электричества принадлежит Томасу Эдисону. Он использовал исключительно постоянный ток, поскольку гениального изобретения Николой Тесла переменного еще не произошло.
Первым электрическим прибором оказалась лампа накаливания с угольной нитью. Опытным путем было установлено, что лучше всего она работает при напряжении в 45 вольт и включенном в цепь балластном сопротивлении, обеспечивающим рассеивание еще двадцати. Приемлемая длительность работы обеспечивалась последовательным включением двух ламп. Итого в бытовой сети, по мнению Эдисона, должно было быть 110 вольт.
Однако передача постоянного тока от электростанций к потребителям сопровождалась большими трудностями: через одну-две мили он затухал полностью. По Закон Джоуля — Ленца количество тепла, рассеиваемое проводником при прохождении тока, вычисляется по следующей формуле: Q = R . I 2 . Чтобы снизить потери вчетверо, напряжение увеличили до 220 вольт, а силовую линию построили из трех проводников – с двумя «плюсами» и одним «минусом». Потребитель получал все те же 110 вольт.
Противостояние Николы Теслы и Томаса Эдисона, названное «Войной токов», решилось в пользу переменного, поскольку его можно было передавать на большие расстояния с минимальными потерями. Тем не менее напряжение между силовыми проводниками осталось 220, а линейное, поступающее к потребителю – 127 вольт, поскольку из-за сдвига фаз на 120 градусов амплитуды напряжения не складываются арифметически, а умножаются на 1,73 – корень квадратный из трех.
В СССР сетевым номиналом 127 вольт в одной фазе пользовались до начала 60-х годов. В ходе усовершенствования электрических линий, проводимого с целью увеличения передаваемой мощности, конструкторы пошли по тому же пути, что и Эдисон – повысили напряжение.
За точку отсчета приняли 220 вольт, которые измерялись между фазами. Оно стало бытовым. А промышленное межфазное напряжение 380 вольт получилось умножением 220 на 1,73. Частота 50 Гц – это 3 тыс. колебаний в минуту, то есть, оптимальное количество оборотов коленвала дизеля или другого двигателя внутреннего сгорания, который приводит в действие машину переменного тока.
Теперь вы знаете, что такое напряжение и электрический ток, в каких единицах они измеряются и как зависят друг от друга, а также почему в вашей розетке именно 220 вольт. Приведенные факты не носят академического характера и не претендуют на истину в последней инстанции. Более подробно ознакомиться с природой этого феномена вы можете в учебниках по электротехнике.
Источник
О природе электрического тока и основах электротехники
В данной короткой статье попытаюсь на пальцах объяснить основы электротехники. Для тех, кто не понимает откуда в розетке электричество, но спрашивать вроде как уже неприлично.
1. Что такое электрический ток.
«Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все быстрее и быстрее побежал по проводам» (с)
1.1 Пара общих слов по физике вопроса
Электрический ток — это движение заряженных частиц. Из заряженных частиц у нас имеются электроны и немножко ионы. Ионы — это атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов и поэтому потеряли электрическую нейтральность, приобрели электрический заряд. Так-то атом электрически нейтрален — заряд положительно заряженного ядра компенсируется зарядом электронной оболочки. Ионы обычно являются переносчиком заряда в электролитах, в металлических проводах носителями являются электроны. Металлы хорошо проводят ток, потому что некоторые электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В непроводящих материалах электроны привязаны к своему атому и перемещаться не могут. (Напомню, данная статья — это объяснение физики на пальцах! Подробнее искать по «электронная теория проводимости»).
Будем рассматривать ток в металлических проводниках, который создаётся электронами. Можно провести аналогию между электронами в проводнике и жидкости в водопроводной трубе. (На начальном этапе электричество так и считали особой жидкостью.) Как через стенки трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, потому что положительно заряженные ядра атомов притянут их обратно. Электроны могут перемещаться только в внутри проводника.
1.2 Создание электрического тока.
Но просто так ток в проводнике не возникнет. Это все равно, что залить воду в кусок трубы и заварить с обоих концов. Вода никуда не потечет. В куске проводника электроны тоже не могут двигаться в одном направлении. Если электроны почему-то сдвинутся вправо, то слева возникнет нескомпенсированный положительный заряд, который потянет их обратно. Поэтому электроны могут только прыгать от одного атома к другому и обратно. Но если трубу свернуть в кольцо, то вода уже может течь вдоль трубы, если каким-то образом заставить ее двигаться. Точно также и концы проводника можно соединить друг с другом, и тогда электроны смогут перемещаться вдоль проводника, если их заставить. Если концы проводника соединены друг с другом, то получается замкнутая цепь. Постоянный ток может идти только в замкнутой цепи. Если цепь разомкнута, то ток не идет. Чтобы заставить воду течь по трубе используется насос. В электрической цепи роль насоса выполнят батарейка. Батарейка гонит электроны по проводнику и тем самым создает электрический ток. По научному батарейка называется генератором. Так в электротехнике называют насос для создания электрического тока.
Бывают два типа генераторов — генератор напряжения и генератор тока.
Это фундаментальная вещь на самом деле, обратите внимание! См. рисунок ниже
рис 1. Генератор напряжения величиной U
рис 2. Генератор тока величиной I
На верхней картинке изображен генератор напряжения, на нижней — генератор тока. Насос -генератор напряжения создает постоянное давление, насос-генератор тока создает постоянный поток. Верхняя цепь разомкнута, и нижняя — замкнута. Рассмотрим, какими свойствами обладает генератор напряжения. Представим следующую цепь
рис 3. Генератор напряжения величиной U с нагрузкой R1
В терминах водопроводной аналогии, генератор -это насос, создающий постоянное давление, выключатель SW1 — это клапан, открывающий\перекрывающий трубу, сопротивление R1 — это кран\вентиль который насколько-то приоткрыт. Этот крантель можно прикрыть — сопротивление увеличится, поток воды уменьшится. Можно открыть побольше — сопротивление уменьшится, поток воды увеличится. Вроде все интуитивно понятно. Теперь представим, что мы открываем кран все больше и больше. Тогда поток воды будет увеличиваться и увеличиваться. При этом генератор напряжения по определению поддерживает напряжение (давление) постоянным, независимо от величины потока! Если кран открыть полностью и сопротивление станет равно 0, то поток станет равным бесконечности. При этом генератор все равно будет выдавать напряжение равное U! Конечно все это происходит в идеальной модели, когда мощность генератора бесконечна. Реальные генераторы (батарейки или аккумуляторы) примерно соответствуют этой модели в определенном диапазоне напряжений и токов.
Рассмотрим теперь цепь с генератором тока.
рис 4. Генератор тока величиной I с нагрузкой R2
Что делает генератор тока? Он гонит ток! Ему сказано гнать ток величиной I, и он его гонит, невзирая на величину сопротивления (насколько открыт кран). Открыт кран полностью — ток будет равен I. Напряжение (давление) будет равно.
Закрыт кран полностью — ток все равно будет равен I! Но при этом напряжение (давление) будет равно бесконечности. Опять таки в модели.
Из этих рассуждений интуитивно понятно вытекает основной закон электротехники — Закон Ома. ( «С красной строки. Подчеркни» (с))
2. Закон Ома.
Сначала c точки зрения генератора напряжения
Если к сопротивлению R приложить напряжение U, то через сопротивление пойдет ток
I =U/R Теперь с точки зрения генератора тока
Если через сопротивление R пропускать ток I, то на сопротивлении возникнет падение напряжения U=I*R
Вот как-то надо этот момент осознать. Эти две формулировки совершенно равноправны и применение их зависит только от того, какой генератор рассматривается. Можно конечно еще записать R=U/I. Что-то вроде — если к участку цепи приложено напряжение U, и при этом в этом участке проходит ток I, то цепь имеет сопротивление R. Дальше по хорошему надо рассматривать варианты цепей с параллельным или последовательным включением резисторов, но неохота. Это чисто технические моменты. Что-то вроде
рис 5. Последовательное включение резисторов
Через данную цепь из последовательно соединенных резисторов R1 и R2 проходит ток величиной I. Какое падение напряжения будет на каждом резисторе U1 и U2?
Используйте закон Ома и все!
Эта цепь кстати с генератором тока, поскольку входная переменная здесь ток. Ну то есть самого генератора тока может и не быть, просто ток в цепи известен и считается постоянным и равным I. Поэтому как бы этот ток гонит генератор тока.
Еще — говорят «падение напряжения на резисторе», потому что «производит» напряжение (давление) генератор, а после каждого резистора напряжение будет уменьшаться, падать на этом резисторе на величину U=I*R.
Хотя пару важных практических случаев все таки рассмотрим.
1. Самая важная схема.
Самая важная схема, с которой инженеру-электронщику предстоит иметь дело постоянно на протяжении всей жизни — это делитель напряжения.
( «С красной строки. Подчеркни» (с))
3. Делитель напряжения
Схема имеет вид.
рис 6. Делитель напряжения
Делитель напряжения представляет собой два резистора, соединенных последовательно друг с другом.
Кстати, резистором называется электронный компонент (деталька), которая реализует электрическое сопротивление определенной величины . Его также (детальку) часто называют сопротивлением. Получается немного тавтология — сопротивление имеет сопротивление R. Поэтому для деталей лучше использовать название резистор. Резистор сопротивлением 1 килоом, например.
Так вот. Что же делает эта схема? Два последовательных резистора имеют некоторое эквивалентное сопротивление, назовем его R12. По цепи проходит ток I, от плюса генератора к минусу через резистор R1 и через резистор R2. При этом на резисторе R1 падает напряжение U1=I*R1, а на резисторе R2 падает напряжение U2=I*R2. Согласно закону Ома. Напряжение U=U1+U2, как видно из схемы. Таким образом U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
То есть эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений.
Выражение для тока I=U/(R1+R2)
Найдем теперь, чему равно напряжение U2. U2=I*R2= U* R2/(R1+R2).
Пример картинки из интернета. Если резисторы равны, то входное напряжение Uвx делится пополам.
Второй важный случай — учет выходного сопротивления источника (генератора) и входного сопротивления приемника (цепи, к которой генератор подключен)
рис 7. Выходное сопротивление источника и входное сопротивление приемника.
Идеальный генератор напряжения имеет нулевое выходное сопротивление, то есть при нулевом сопротивлении внешней цепи величина тока будет равна бесконечности ∝. Реальный генератор напряжения обеспечить бесконечный ток не может. Поэтому при замыкании внешней цепи ток в ней будет ограничен внутренним сопротивлением генератора, на рис. обозначен буквой r.
Кстати, правильный способ проверки пальчиковых батареек, заключается в измерении тока, которые они могут отдать. То есть на тестере выставляется предел 10А, режим измерения тока, и щупы прикладываются к контактам батареи. Ток в районе 1А или больше говорит о том, что батарейка свежая. Если ток меньше 0.5А, то можно выкидывать. Или попробовать в настенных часах, может сколько-то проработает.
Если выходное сопротивление источника (внутреннее сопротивление r на рисунке) соизмеримо со входным сопротивлением приемника (R3 на рисунке), то эти резисторы будут действовать, как делитель напряжения. На приемник при этом будет поступать не полное напряжение источника U, а U1=U*R3/(r+R3). Если эта схема предназначена для измерения напряжения U, то она будет врать!
В следующих статьях планируется рассмотреть цепи с конденсаторами и индуктивностями.
Затем диоды, транзисторы и операционные усилители.
Источник